北大集成电路原理与设计之二：模拟集成电路原理与设计课件04差分放大器

1北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计上一讲放大器基础知识电阻做负载的共源级增益有非线性，电阻精度差或面积大DmvRgA2北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计上一讲二极管接法的MOS管做负载的共源级线性度好，输出摆幅小，增益不能太大（否则摆幅小、带宽小）Av(W/L)1(W/L)21121)/()/(LWLWApnv3北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计上一讲电流源做负载的共源级增益大)(||o2o1mvrrgA4北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计上一讲深线性区MOS管做负载的共源级输出可以较大（可以为VDD）得到精准的Ron2比较困难；受工艺、温度变化影响比较大，产生稳定、精确的Vb比较难AvgmRON2RON21nCoxWL2(VDDVb|VTHP|)5北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计上一讲带源极负反馈的共源级Rs使Gm和增益变为gm的弱函数，提高线性度输出电阻大牺牲了增益SmDmDmvRgRgRGA1ROUT[1(gmgmb)ro]RSro6北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计上一讲共漏级－源跟随器Rin大，Rout中/小，输出摆幅小，增益有百分之几非线性，噪声大；PMOS管能消除体效应，提高线性度，但输出阻抗大，带宽降低；电压缓冲器、电压平移mbmoutggR111)1(11)(1SmSmbmSmvRgRggRgA)(1)(111111OOmOOmvrrgrrgA7北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计上一讲共栅级Rin小，Rout大DmvRgA)1()]1(/[1mingRmbmOmbmDOmbmODinggrggRrggrRR1)()(1Rout{[1(gmgmb)ro]RSro}||RD8北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计上一讲共源共栅级Rout大，高增益，屏蔽特性好DmvRgA121222])(1[OOOmbmoutrrrggR不足：输出摆幅受一定影响主要应用：电流源共源共栅OPA折叠共源共栅OPA等9模拟集成电路原理与设计第4章差分放大器陈中建[e-mail]62759620，理科2号楼2617微电子学系10北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计授课内容绪论，2学时重要性、一般概念单级放大器，5学时无源/有源电流镜，2学时差动放大器，3学时放大器的频率特性，4学时噪声，4学时运算放大器，6学时反馈，6学时稳定性和频率补偿，6学时版图，3学时共源、共漏、共栅、共源共栅定性分析、定量分析、共模响应、吉尔伯特单元弥勒效应、极点与节点关系、单级放大器频率特性分析统计特性、类型、电路表示、单级放大器噪声分析、噪声带宽特性、四种反馈结构、负载影响、对噪声的影响性能参数、一级运放、两级运放、各指标分析叉指、对称、ESD等多极点系统、相位裕度、频率补偿器件物理基础，2学时MOSFET结构、IV特性、二级效应、器件模型基本/共源共栅/有源电流镜EDA系统使用常识和设计实习实例演示，2学时做设计实习所需软硬件系统的使用期中考试2学时，评卷1学时。习题课若干学时11北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计本讲差分放大器简介简单差分放大器基本差分对放大器大信号共模特性大信号差分特性小信号差分特性小信号共模特性MOS管做负载的基本差分对放大器差分放大器的应用－Gilbert单元12北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计差分放大器AIC中非常重要的电路模块最重要的电路发明之一对两个信号的差值进行放大差分信号定义：相对于共模电平而言，差分信号大小相等、极性相反差分放大器优点：抗干扰能力强，增大电压摆幅，高线性度等13北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计抗干扰能力电源线上的干扰会影响共模电平，但不影响差分输出14北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计抗干扰能力时钟线上的干扰会影响共模电平，但不影响差分输出15北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计增大电压摆幅共源级差分放大级ovDDswingoutDDoutovoutVVVVVVV,max,min,，，)(2min,max,,21max,2121min,21ovDDoutoutswingoutovDDoutoutoutovoutDDoutDDovoutoutoutDDoutovoutVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVV，，，，16北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计差分放大器总特点优点抗干扰能力强，电压摆幅大，偏置电路简单，高线性度等和单端电路相比，差分电路规模加倍与所获得的高性能相比，这个不算做缺点17北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计本讲差分放大器简介简单差分放大器基本差分对放大器大信号共模特性大信号差分特性小信号差分特性小信号共模特性MOS管做负载的基本差分对放大器差分放大器的应用－Gilbert单元18北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计简单差分电路缺点1：直流偏置电流受输入共模电平影响大，从而影响跨导、增益问题根源：偏置电流随Vin,CM改变LWCIgOXnDm2DmvRgA缺点2：输出共模电平对Vin,CM敏感，设置不当或受外界干扰而波动时，会导致Vout,CM偏离理想偏置点，导致可用的输出电压摆幅减小19北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计简单差分电路缺点1：直流偏置电流受输入共模电平影响大，从而影响跨导、增益问题根源：偏置电流随Vin,CM改变DSSDDCMoutRIVV2,缺点2：输出共模电平对Vin,CM敏感，设置不当或受外界干扰而波动时，会导致Vout,CM偏离理想偏置点，导致可用的输出电压摆幅减小解决办法：稳定偏置电流20北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计基本差分对电路直流偏置电流由ISS决定，从而保证跨导、增益、输出共模电平等受输入共模电平影响小LWCIgOXnDm2DmvRgADSSDDCMoutRIVV2,21北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计本讲差分放大器简介简单差分放大器基本差分对放大器大信号共模特性大信号差分特性小信号差分特性小信号共模特性MOS管做负载的基本差分对放大器差分放大器的应用－Gilbert单元22北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计共模输入范围],2min[,31DDTHSSDDDCMinOVGSVVIRVVVV23北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计由转移特性曲线推导出Av24北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计输出电压摆幅每个输出端最大：VDD，最小：Vin,CM-VTHVin,CM越小，输出电压摆幅越大，也有利于Av大25北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计本讲差分放大器简介简单差分放大器基本差分对放大器大信号共模特性大信号差分特性小信号差分特性小信号共模特性MOS管做负载的基本差分对放大器差分放大器的应用－Gilbert单元26北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计定性分析输出端的最大电平和最小电平分别是VDD和VDD-RDISS，与输入共模电平无关Vin1=Vin2附近，增益最大，线性度好求(Vout1-Vout2)与(Vin1-Vin2)的函数关系式27北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计定量分析思路：Vout1-Vout2=-RD(ID1-ID2)；求出ID1-ID2=f(Vin1-Vin2)即可求出Vout和Vin的关系LWCILWCIVVLWCIVVLWCIVVOXDOXDininOXDTHinOXDTHin21212211222,228北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计定量分析2122214212212212122121214)()(412)(21)2(2)(22DDSSininOXSSininOXDDSSininOXDDSSOXininOXDOXDininIIIVVLWCIVVLWCIIIVVLWCIIILWCVVLWCILWCIVV）（两边平方，得：29北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计定量分析2212121221221222122122212212121222122122122214212)(4)(21]4)[()(41)()()()(44]4)[()(414)()(41ininOXSSininOXDDOXSSininininOXDDDDSSDDDDDDDDSSOXSSininininOXDDSSininOXSSininOXVVLWCIVVLWCIILWCIVVVVLWCIIIIIIIIIIIIIILWCIVVVVLWCIIIVVLWCIVVLWC）（）（）（30北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计定量分析思路：Vout1-Vout2=-RD(ID1-ID2)；求出ID1-ID2=f(Vin1-Vin2)即可求出Vout和Vin的关系2421inOXnSSinOXnDVLWCIVLWCI31北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计定量分析2421inOXnSSinOXnDVLWCIVLWCI书上为ID1-ID2,错了32北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计定量分析ID与W/L、ISS的关系W/L减小或ISS增大能提高线性度2421inOXnSSinOXnDVLWCIVLWCIW/L增大时ISS增大时33北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计定量分析当Vin=0时，ID=0，Vout=02421inOXnSSinOXnDVLWCIVLWCI04outOXnSSinVLWCIV时，当不合理34北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计定量分析2421inOXnSSinOXnDVLWCIVLWCI04outOXnSSinVLWCIV时，当管截止已有一个时当MOS,2LWCIVOXnSSin35北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计本讲差分放大器简介简单差分放大器基本差分对放大器大信号共模特性大信号差分特性小信号差分特性小信号共模特性MOS管做负载的基本差分对放大器差分放大器的应用－Gilbert单元36北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计等价跨导公式inDmVIG2421inOXnSSinOXnDVLWCIVLWCI2242421inOXnSSinOXnSSOXnmVLWCIVLWCILWCG从大信号结果入手计算小信号差分增益37北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计等价跨导曲线2242421inOXnSSinOXnSSOXnmVLWCIVLWCILWCGLWCIVOXnSSin21SSOXnmILWCGmax,38北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计差模增益inoutvVVADDoutoutoutIRVVV212,1mDSSOXnDvgRILWCRAmDinDDoutinoutvGRVIIVVVA全